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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的節(jié)能
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的節(jié)能【1】
[摘要]介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及應(yīng)用,將傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和層次型路由協(xié)議,并對(duì)其中典型的路由協(xié)議進(jìn)行節(jié)能方面的分析,指出路由協(xié)議未來(lái)的研究重點(diǎn)。
[關(guān)鍵詞]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以采集數(shù)據(jù)為目的、高密度、自組織、低數(shù)據(jù)率的新型的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù),能夠進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)探測(cè)、簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)處理和有限范圍的無(wú)線通信,具有成本低廉、功耗低、尺寸小等特點(diǎn)。
適合在無(wú)人看管或人類難以到達(dá)、難以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)的環(huán)境中使用,在醫(yī)療、軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)通過(guò)飛機(jī)布撤,人工布置等方式,大量部署在感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。
這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)中特定的信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集,處理和分析。
這種以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),通過(guò)多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回Sink節(jié)點(diǎn)(基站),最后借助Sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行集中處理。
用戶可以通過(guò)sink節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了其動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、較大的業(yè)務(wù)流量與有限的無(wú)線資源的矛盾,以及低功耗的設(shè)計(jì)要求。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度可分為平面路由協(xié)議和層次型路由協(xié)議。
一、平面路由協(xié)議
平面路由協(xié)議中,節(jié)點(diǎn)間地位平等,優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展,但缺乏對(duì)通信資源的優(yōu)化管理,對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的反應(yīng)速度較慢。
典型的協(xié)議有:
SPIN協(xié)議,是一組基于協(xié)商的并且具有能量自適應(yīng)功能的路由協(xié)議。
SPIN-1和SPIN-2是其中最主要的兩個(gè)協(xié)議。
SPIN協(xié)議是一種不需要了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因此適合在節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。
SPIN協(xié)議引入元數(shù)據(jù)概念,減少了數(shù)據(jù)的傳輸量;通過(guò)使用協(xié)商機(jī)制和能量自適應(yīng)機(jī)制,節(jié)省了能量,解決了信息“內(nèi)爆”和數(shù)據(jù)“重疊”問(wèn)題。
Directed Diffusion協(xié)議這是一個(gè)基于查詢的路由協(xié)議,該協(xié)議整個(gè)過(guò)程分為興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。
梯度場(chǎng)的建立根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則。
該協(xié)議采用了數(shù)據(jù)融合方法有效地減少了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量,節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量、提高帶寬利用率。
該協(xié)議主要用于具有大量查詢而只有少量事件的應(yīng)用場(chǎng)景,不適合用于網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變動(dòng)的、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。
Rumor Routing算法是對(duì)Directed Diffusion的改進(jìn),網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維持一個(gè)事件列表,其表項(xiàng)包含事件的基本描述、播報(bào)該事件的源節(jié)點(diǎn)、最先傳遞該事件的上一跳節(jié)點(diǎn);引人了一個(gè)具有長(zhǎng)生命周期的報(bào)文Agent,用于源節(jié)點(diǎn)廣播感知事件的描述信息并在網(wǎng)絡(luò)中傳播,該算法通過(guò)節(jié)點(diǎn)的事件列表信息維護(hù)一條與源節(jié)點(diǎn)的路徑,避免了SPIN協(xié)議中的大量泛洪過(guò)程,顯著節(jié)省能量。
二、層次路由協(xié)議
LEACH,是為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)路由算法。
與平面多跳路由協(xié)議相比,該協(xié)議采用隨機(jī)選舉簇頭的方式平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù),避免簇頭過(guò)分消耗能量,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期,但協(xié)議無(wú)法保證簇頭節(jié)點(diǎn)能遍及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
TEEN協(xié)議。
通過(guò)設(shè)置硬閾值和軟閾值兩個(gè)參數(shù)大大減少了數(shù)據(jù)傳送的次數(shù),提高了網(wǎng)絡(luò)能量利用率和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間;可以對(duì)突發(fā)事件做出快速反應(yīng),適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng),但是不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性采集。
TTDD協(xié)議主要是解決傳感器節(jié)點(diǎn)不動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)中存在多sink點(diǎn)以及sink點(diǎn)移動(dòng)情況。
當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)探測(cè)到事件發(fā)生時(shí),選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)以自身為中心,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)變成源節(jié)點(diǎn)捕捉Sink節(jié)點(diǎn)的一個(gè)格狀網(wǎng)。
當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)格狀網(wǎng)傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)。
TTDD中提出的透明傳輸?shù)母拍?可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)。
與Directed Diffusion協(xié)議相比,該協(xié)議采用單路徑方式提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間,但計(jì)算與維護(hù)格狀網(wǎng)的開(kāi)銷較大;節(jié)點(diǎn)必須知道自身位置;非sink點(diǎn)位里不能移動(dòng),要求節(jié)點(diǎn)密度較大。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是影響人類未來(lái)生活的重要技術(shù)之一,這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理、存儲(chǔ)和通信能力有限,應(yīng)根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用需求,以能量為中心問(wèn)題,設(shè)計(jì)出緊湊、節(jié)能而簡(jiǎn)單的協(xié)議。
參考文獻(xiàn):
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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究【2】
摘 要：本文通過(guò)介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的相關(guān)知識(shí)，包括介紹其主要特征、設(shè)計(jì)要求，以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類等方面，著重介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議，給予廣大技術(shù)人員在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議上的一些幫助和參考。
關(guān)鍵詞：傳感器;無(wú)線傳感器;網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議;平面路由協(xié)議;層次路由協(xié)議
一、引言
近年來(lái)，隨著現(xiàn)代化科技的蓬勃發(fā)展，無(wú)線傳感器技術(shù)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要由傳感節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和觀察對(duì)象等三個(gè)部分組成。
就目前來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、社區(qū)監(jiān)控、礦井生產(chǎn)及軍事偵探等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用正日趨廣泛。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)對(duì)其基本特征和設(shè)計(jì)要求，以及平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議等兩大分類的認(rèn)識(shí)和了解，對(duì)于無(wú)線傳感器技術(shù)的發(fā)展和變革有著不容忽視的促進(jìn)作用。
二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，主要是用來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)中的傳輸數(shù)據(jù)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)著極為重要的角色。
通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分析，認(rèn)為其具有以下幾點(diǎn)鮮明特點(diǎn)和局限性。
(1)終端節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。
傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較大，促使其能夠作用于計(jì)算子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)和能量供應(yīng)子系統(tǒng)等多個(gè)方面，不過(guò)同時(shí)也加大了建立全局地址的難度，而且各節(jié)點(diǎn)的傳輸能力、處理能力和存儲(chǔ)能力也極為有限。
(2)傳感器定位特點(diǎn)。
在無(wú)線傳感器中，由于終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量龐大，且通常是數(shù)據(jù)聚集的主要地方，因此，在進(jìn)行傳感器定位上，主要工作是由終端節(jié)點(diǎn)來(lái)完成的。
(3)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。
根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用類型也不同。
呈現(xiàn)功能多樣化的特點(diǎn)。
2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)
(1)注重路由算法節(jié)能。
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)上，降低路由算法的耗能，在網(wǎng)絡(luò)周期運(yùn)行、通信功能等方面起著決定性的作用。
通過(guò)降低算法能量消耗，能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
(2)注重路由算法擴(kuò)展。
隨著無(wú)線傳感器的應(yīng)用日趨廣泛，終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也在不斷增加，給網(wǎng)絡(luò)造成了一定程度的繁冗。
為此，在設(shè)計(jì)時(shí)注重路由算法擴(kuò)展性的提高，能夠有效地融合新節(jié)點(diǎn)，從而提高網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)的能力，延長(zhǎng)使用壽命。
(3)注重路由算法容錯(cuò)。
注重路由算法容錯(cuò)能力的提高，能夠保證在分層結(jié)構(gòu)的終端節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，最大限度減輕簇頭的高負(fù)載，以免整個(gè)網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓。
3.要求數(shù)據(jù)融合
通過(guò)強(qiáng)化數(shù)據(jù)的融合，能夠減少無(wú)線傳感器在采集和傳遞數(shù)據(jù)方面造成的大量冗余信息，確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔和信息的精確。
4.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的類別及分析
根據(jù)不同的角度，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以劃分的類別也不同。
通過(guò)路由發(fā)現(xiàn)策略，可以分為主動(dòng)路由和被動(dòng)路由，而從邏輯結(jié)構(gòu)出發(fā)，則可以劃分成平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議等兩種。
(1)平面路由協(xié)議。
擴(kuò)散法。
即傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，是通過(guò)源節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)副本傳輸給相鄰節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)又將其發(fā)送給下一相鄰節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)擴(kuò)散并最終將數(shù)據(jù)傳輸給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的方法。
具有簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)、降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒁约奥酚伤惴ㄏ牡哪茉�，且能夠適用于要求較高的場(chǎng)合等優(yōu)勢(shì)，但從另一個(gè)角度來(lái)看，這種擴(kuò)散法很可能會(huì)造成信息爆炸、重疊發(fā)送信息及盲目使用資源等現(xiàn)象。
SPIN協(xié)議。
是基于節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商制度和資源自適應(yīng)機(jī)制研發(fā)出來(lái)的通信路由協(xié)議，用于處理擴(kuò)散法中的缺陷。
通過(guò)在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商，能夠保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的可靠性和可用性。
定向擴(kuò)散。
是采用梯度的形式，對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)方向進(jìn)行搜索，以此來(lái)獲得匹配數(shù)據(jù)的新協(xié)議。
運(yùn)行的終端節(jié)點(diǎn)主要用命名機(jī)制來(lái)描述數(shù)據(jù)，并通過(guò)向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送被命名數(shù)據(jù)的任務(wù)描述符，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。
相對(duì)來(lái)說(shuō)，這種定向擴(kuò)散協(xié)議，在節(jié)能和擴(kuò)展方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。
(2)層次路由協(xié)議。
LEACH協(xié)議。
通過(guò)采用聚類的形式發(fā)展起來(lái)的LEACH路由協(xié)議，能夠不斷隨機(jī)循環(huán)執(zhí)行聚類首節(jié)點(diǎn)重構(gòu)過(guò)程，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量負(fù)載均衡分配。
其重構(gòu)過(guò)程主要分為類準(zhǔn)備階段和就緒階段等兩部分。
通過(guò)延長(zhǎng)就緒階段的時(shí)間，同時(shí)縮短類準(zhǔn)備階段的用時(shí)，能夠有效地節(jié)省資源，進(jìn)而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存的時(shí)長(zhǎng)到15%。
PEGAGIS協(xié)議。
是基于LEACH協(xié)議設(shè)計(jì)的，并在假定終端節(jié)點(diǎn)的同構(gòu)和靜止的前提下，通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量遞減的測(cè)試信號(hào)來(lái)找出相鄰最近節(jié)點(diǎn)。
從而明確各節(jié)點(diǎn)之間的位置關(guān)系，并通過(guò)選擇所屬聚類來(lái)完成到sink的鏈路優(yōu)化。
不但促使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間是LEACH的兩倍左右，同時(shí)由于融合數(shù)據(jù)降低了收發(fā)次數(shù)，進(jìn)而節(jié)省了系統(tǒng)能源。
不過(guò)對(duì)于鏈中遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)，則較為容易引起數(shù)據(jù)延遲。
TEEN協(xié)議。
該協(xié)議的主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性，是基于LEACH的聚類結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行模式，采用硬、軟閾值來(lái)發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)議。
新硬閾值是由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)首次超過(guò)設(shè)定硬閾值時(shí)確定的。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的硬閾值變化幅度大于軟閾值界定范圍，則節(jié)點(diǎn)重新采集數(shù)據(jù)設(shè)定硬閾值。
同時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)軟閾值大小，有效平衡監(jiān)測(cè)精度與系統(tǒng)能耗。
TEEN協(xié)議的實(shí)時(shí)性，促使其能快速反應(yīng)并處理突發(fā)事件，但受其自身限制，該協(xié)議并不適合持續(xù)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境。
通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的分析和思考，能夠進(jìn)一步加深人們對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，推動(dòng)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的普及和發(fā)展。
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